DIRETORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA MESTRADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
DESENVOLVIMENTO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS MULTIFUNCIONAIS DE ÚNICO E DUPLO ESTÁGIOS CONECTADOS À REDE ELÉTRICA TRIFÁSICA
MARCELO HIDEO DE FREITAS TAKAMI
DISSERTAÇÃO
CORNÉLIO PROCÓPIO 2017
MARCELO HIDEO DE FREITAS TAKAMI
DESENVOLVIMENTO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS MULTIFUNCIONAIS DE ÚNICO E DUPLO ESTÁGIOS CONECTADOS À REDE ELÉTRICA TRIFÁSICA
Dissertação apresentada ao Programa de
Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da
Universidade Tecnológica Federal do Paraná como requisito parcial para obtenção do título de ―Mestre em Engenharia Elétrica‖.
Orientador: Prof. Dr. Sérgio Augusto Oliveira da Silva.
Co-orientador: Prof. Dr. Leonardo Poltronieri Sampaio.
CORNÉLIO PROCÓPIO 2017
Desenvolvimento de sistemas fotovoltaicos multifuncionais de único e duplo estágios conectados à rede elétrica trifásica / Marcelo Hideo de Freitas Takami. – 2017.
203 f. : il. color. ; 31 cm
Orientador: Sérgio Augusto Oliveira da Silva. Coorientador: Leonardo Poltronieri Sampaio.
Dissertação (Mestrado) – Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós- graduação em Engenharia Elétrica. Cornélio Procópio, 2017.
Bibliografia: p. 183-190.
1. Sistemas de energia fotovoltaica. 2. Conversores CC-CC. 3. Inversores elétricos. 4. Engenharia Elétrica – Dissertações.I. Silva, Sérgio Augusto Oliveira da, orient. II. Sampaio, Leonardo Poltronieri, coorient.III. Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. IV. Título.
CDD (22. ed.) 621.3
Ministério da Educação
Universidade Tecnológica Federal do Paraná Câmpus Cornélio Procópio
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
TERMO DE APROVAÇÃO
Dissertação Nº 37:
DESENVOLVIMENTO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS MULTIFUNCIONAIS DE ÚNICO E DUPLO ESTÁGIOS CONECTADOS À REDE ELÉTRICA TRIFÁSICA
por
Marcelo Hideo de Freitas Takami
Orientador: Prof. Dr. Sérgio Augusto Oliveira da Silva
Esta dissertação foi apres entada como requisito parcial à obtenção do grau de MES TRE EM ENGENHA RIA ELÉ TRICA – Área de Concentração: Sistemas Eletrônicos Industriais, pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica– PPGEE – da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR – Câmpus Cornélio Procópio, às 9 h do dia 29 de Junho de 2017. O trabalho foi aprovado pela Banca Examinadora, composta pelos professores:
__________________________________ Prof. Dr. Sérgio Augusto Oliveira da Silva
(Presidente)
__________________________________ Prof. Dr. Leonardo Poltronieri Sampaio
(UTFP R-CP)
__________________________________ Prof. Dr. Rodrigo Augusto Modesto
(UTFP R-CP)
__________________________________ Prof. Dr. Thiago Ribeiro de Oliveira
(UFMG)
Visto da coordenação:
__________________________________ Prof. Dr. Alessandro do Nascimento Vargas Coordenador do Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Elétrica UTFP R Câmpus Cornélio Procópio
Dedico esta dissertação de mestrado a minha família que sempre me incentivou e sempre foi um exemplo para mim.
AGRADECIMENTOS
A Deus por estar junto de mim durante todo o tempo, me guiando, abençoando, protegendo e também à virgem Maria pela interseção junto a Deus.
A todos os meus familiares, em especial a minha mãe Helenice Aparecida de Freitas Takami, e ao meu pai José Hideo Takami e meu irmão Marcos Tadashi de Freitas Takami, por todo incentivo e apoio e aos meus irmãos Shigueo (in memorian) e Renata (in memorian), que me trouxeram grande inspiração.
Em especial aos Professores Dr. Sérgio Augusto Oliveira da Silva e Dr. Leonardo Poltronieri Sampaio, pela orientação, pela paciência, pelas cobranças e por todos os ensinamentos.
Aos professores da banca Dr. Rodrigo Augusto Modesto e Dr. Thiago Ribe iro de Oliveira pelas contribuições com o trabalho.
Agradeço também a todos os professores do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica (PPGEE) da UTFPR campus Cornélio Procópio.
Agradeço a todos meus amigos, aos amigos do Centro Integrado de Pesquisa em Controle e Automação (CIPECA) Alex Sandro Viel Pulici, Clayton Graciola, Guilherme Martins Lopes, Gustavo Henrique Bazan, Lucas Henrique de Andrade, Murillo Garcia Gentil, Tiago Drummond Lopes pelo companheirismo. E também em especial aos amigos do Laboratório de Eletrônica de Potência Qualidade de Energia e Energias Renováveis (LEPQER), Danilo Henrique Wollz, Estevão Terminiello Padim, Fernando Marcos de Oliveira, Fernando Alves Negrão, Guilherme Masquetti Pelz, Igor Rafael Guizelini, Leonardo Bruno Garcia Campanhol e Vinícius Dário Bacon.
Agradeço a UTFPR por toda estrutura disponibilizada no Laboratório de Eletrônica de Potência Qualidade de Energia e Energias Renováveis (LEPQER). Agradeço ainda à agência CAPES pela bolsa de demanda social fornecida.
RESUMO
TAKAMI, Marcelo Hideo de Freitas. Desenvolvimento de Sistemas Fotovoltaicos
Multifuncionais de Único e Duplo Estágios Conectados à Rede Elétrica Trifásica. 2017. 203 f.
Dissertação – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Cornélio Procópio, 2017.
Este trabalho apresenta o estudo e a implementação prática envolvendo a comparação de dois sistemas fotovoltaicos (FV), um deles com simples e o outro com duplo estágio de potência, ambos conectados à uma rede elétrica trifásica a quatro fios. O sistema FV com simples estágio é composto por um inversor four-leg (4L), enquanto o sistema com duplo estágio contém um conversor c.c.-c.c. boost entre o arranjo FV e o inversor. O inversor 4L é conectado à rede elétrica por meio de filtros de acoplamento. Neste trabalho, são utilizados três filtros de acoplamento distintos, sendo eles os filtros 𝐿, 𝐿𝐶 e 𝐿𝐶𝐿 amortecido, onde são realizadas análises comparativas entre eles. Para evitar o acoplamento das grandezas de corrente entre as fases, a modelagem do inversor 4L é realizada no sistema de eixos estacionários bifásico (αβ0). A partir dos modelos encontrados é possível realizar o projeto dos controladores de ambos os conversores empregados. Com o intuito de injetar na rede elétrica correntes com baixas distorções harmônicas, sempre atendendo às normas nacionais e internacionais, são utilizadas técnicas de controle implementados por meio de controladores sintonizados. Ambos os sistemas além da injeção de corrente na rede elétrica, também podem operar como Filtro Ativo de Potência Paralelo (FAPP), ou seja, realizando o condicionamento ativo de potência tanto na supressão das correntes harmônicas quanto na compensação de reativos da carga. Uma malha de controle denominada feed-forward é utilizada para melhorar a dinâmica da tensão do barramento c.c., assim como nas correntes injetadas na rede pelo inversor, no momento em que ocorrem variações abruptas de irradiação solar. Além das análises de desempenho envolvendo os três tipos de filtros de acoplamento e a malha de controle feed-forward, uma análise comparativa entre as duas topologias de sistemas FV é realizada levando em conta o rendimento de cada estrutura.
Palavras-chave: Sistemas fotovoltaicos, conversor c.c.-c.c. boost, inversor four-leg, filtros de
ABSTRACT
TAKAMI, Marcelo Hideo de Freitas. Development the System Photovoltaics Multifunction Of
Single and Double Stages Connected to Three Phase Grid. 2017. 203 f. Dissertação –
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Cornélio Procópio, 2017.
This paper presents the study and practical implementation involving the comparison between two photovoltaic (PV) systems. The first has a single and the second has a double power conversion stages, in which both of them are connected to a three-phase four-wire utility system. The single-stage PV system is composed of a four- leg inverter (4L), while the double-single-stage PV system contains a DC-DC boost converter placed between the PV array and the 4L inverter. The 4L inverter is connected to the grid by means of coupling filters. Three different coupling filters are employed in this work, such as the L, LC and LCL, so that a comparative analysis between them are performed. The modeling of the 4L inverter is performed into the two-phase stationary reference frame (αβ0-axes), in order to avoid the current coupling between the phases. From the obtained models, it is possible to obtain the gains of the controllers. Furthermore, in order to inject currents into the grid with low harmonic distortion, to meet national and international standards, control techniques, which are implemented through tuned controllers, are employed. Both PV systems, besides the active energy injection into the grid, can also operate as shunt active power filter performing active power line conditioning by means of harmonic currents suppression and reactive compensation of the loads. In both PV systems, feed-forward control loops (FFCLs) are used to improve the dynamic responses of the DC-bus voltages, as well as the inverter currents injected into the grid, when abrupt solar irradiation changes occur. Besides the performance analysis involving the three types of coupling filters and the FFCLs, a comparative analysis between the two PV system topologies is carried out, taking into account the efficiency.
Keywords : Photovoltaic systems, DC-DC boost converter, four- leg inverter, coupling filters,
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 - Topologias do sistema FV: (a) simples estágio e (b) duplo estágio. ...31
Figura 1.2 – (a) Inversor trifásico a três- fios; (b) Inversor trifásico a três-fios com split-capacitor e Inversor trifásico a quatro-fios. ...32
Figura 1.3 – (a) Filtro L; (b) Filtro LC; (c) Filtro LCL e (d) Filtro LCL+rc (amortecido)...33
Figura 2.1 - Configuração geral dos sistema FV conectado à rede elétrica trifásica – (a) FV-SE e (b) FV-DE. ...38
Figura 2.2 - Conversor elevador boost. ...39
Figura 2.3 - Inversor trifásico Four-Leg (4L). ...40
Figura 2.4 - Geração do sinal de controle PWM para um conversor c.c.-c.c...41
Figura 2.5 - Vetores de comutação nas coordenadas αβ0. ...42
Figura 2.6 - Dodecaedro formado pelos vértices dos vetores de comutação nas coordenadas αβ0.43 Figura 2.7 - Estrutura dos filtros L. ...48
Figura 2.8 - Estrutura dos filtros LC. ...49
Figura 2.9 - Estrutura do filtro LCL amortecido. ...50
Figura 3.1 - Modelo equivalente do arranjo FV com o conversor c.c.-c.c. boost. ...54
Figura 3.2 - Primeira etapa de funcionamento do conversor boost...55
Figura 3.3 - Segunda etapa de funcionamento do conversor boost...56
Figura 3.4 - Diagrama em blocos das malhas de controle de tensão e corrente do conversor c.c.-c.c. boost...59
Figura 3.5 – Inversor 4L a ser modelado utilizando filtro L. ...60
Figura 3.6 - Circuito equivalente por fase do inversor trifásico 4L com filtros L...60
Figura 3.7 - Circuitos equivalentes no sistema αβ0 do circuito de potência do inversor 4L com filtro L...68
Figura 3.8 - Diagrama em blocos da planta de corrente do inversor 4L com filtro L nas coordenadas αβ0. ...69
Figura 3.9 - Diagrama de Bode da planta de corrente do inversor 4L com filtro L. ...69
Figura 3.10 - Circuito equivalente por fase do inversor trifásico 4L com filtro LC...70
Figura 3.11 - Circuitos equivalentes no sistema αβ0 do circuito de potência do inversor 4L com filtros LC. ...77
Figura 3.12 - Diagrama em blocos da planta de corrente do inversor 4L com filtro LC nas coordenadas αβ0. ...77
Figura 3.13 - Diagrama de Bode do da planta de corrente do inversor 4L com filtro LC...78
Figura 3.15 - Circuitos equivalentes no sistema αβ0 do circuito de potência do inversor 4L com
filtro LCL. ...89
Figura 3.16 - Diagrama em blocos da planta de corrente do inversor com filtro LCL no sistema αβ0. ...90
Figura 3.17 - Diagrama de Bode da planta de corrente do inversor 4L com filtro LCL amortecido.90 Figura 3.18 - Diagrama em blocos da planta de tensão do barramento c.c. do inversor 4L. ...93
Figura 4.1 - Diagrama em blocos da geração de referência do MPPT com FV-SE...94
Figura 4.2 - Diagrama em blocos da geração de referência do MPPT com FV-DE. ...95
Figura 4.3 - Diagrama em blocos do algoritmo SRF trifásico. ...96
Figura 4.4 - Diagrama em blocos do algoritmo SRF modificado. ...98
Figura 4.5 - Diagrama em blocos do sistema de controle. ...99
Figura 4.6 - Diagrama em blocos das malhas de controle das correntes do inversor 4L. ...101
Figura 4.7 - Diagrama de Bode da planta 𝐺𝑃𝑖 do sistema compensado em malha aberta 𝐺𝑀𝐴𝐶𝑖 e do sistema controlado 𝐺𝑀𝐴𝑃𝐼𝑖do inversor com filtro L. ...103
Figura 4.8 - Diagrama de Bode da planta 𝐺𝑃𝑖 do sistema compensado em malha aberta 𝐺𝑀𝐴𝐶𝑖 e do sistema controlado 𝐺𝑀𝐴𝑃𝐼𝑖do inversor com filtro LC. ...104
Figura 4.9 - Diagrama de Bode da planta 𝐺𝑃𝑖, do sistema compensado em malha aberta 𝐺𝑀𝐴𝐶𝑖 e do sistema controlado 𝐺𝑀𝐴𝑃𝐼𝑖 do inversor com filtro LCL amortecido. ...105
Figura 4.10 - Diagrama de Bode da planta 𝐺𝑃𝑖 da malha interna de corrente do conversor boost, do sistema compensado em malha aberta 𝐺𝑀𝐴𝐶𝑖 e do sistema controlado 𝐺𝑀𝐴𝑃𝐼𝑖...106
Figura 4.11 - Diagrama de Bode da planta 𝐺𝑃𝑣 da malha externa de tensão do conversor boost, do sistema compensado em malha aberta 𝐺𝑀𝐴𝐶𝑣 e do sistema controlado 𝐺𝑀𝐴𝑃𝐼𝑣...107
Figura 4.12 - Diagrama de Bode da planta do inversor com filtro L com os controladores ressonantes. ...109
Figura 4.13 - Diagrama de Bode da planta do inversor com filtro LC com os controladores ressonantes. ...109
Figura 4.14 - Diagrama de Bode da planta do inversor com filtro LCL. ...110
Figura 4.15 - Diagrama em blocos da Malha de Controle da Tensão do Barramento c.c. do inversor. ...110
Figura 4.16 - Diagrama de Bode da planta 𝐺𝑃𝑣 do barramento c.c., do sistema compensado em malha aberta 𝐺𝑀𝐴𝐶𝑣 e do sistema controlado 𝐺𝑀𝐴𝑃𝐼𝑣. ...111
Figura 4.17 – MCFF implementada no sistema FV-SE. ...114
Figura 4.18 – MCFF operando em conjunto com malha de controle do barramento c.c. do sistema FV-SE. ...115
Figura 4.19 – MCFF implementada no sistema FV-DE. ...116
Figura 4.20 – MCFF operando em conjunto com malha de controle do barramento c.c. do sistema FV-DE. ...116
Figura 5.1 - Esquema completo do sistema FV-SE conectado à rede elétrica trifásica. ...119
Figura 5.2 - Esquema completo do sistema FV-DE conectado à rede elétrica trifásica. ...120
Figura 5.3 – Cargas desbalanceadas utilizadas. ...122
Figura 5.4 - Resultados de simulação: (a) Rotina inicial de operação do conversor 4L (20A-200V/div; 500 ms/div); (b) Dinâmica da tensão no barramento c.c. no início de operação (20V/div; 200ms/div). ...123
Figura 5.5 - Resultados de simulação: tensão, corrente e potência do arranjo FV (500 ms/div). ..124
Figura 5.6 - Resultados de simulação: tensão e correntes na rede (sistema FV-SE) com controladores PI: a) com filtro L; (b) com filtro LC; (c) com filtro LCL (10A-50V/div; 5ms/div).124 Figura 5.7 - Resultados de simulação: tensão e correntes na rede (sistema FV-SE) com controladores PI+R: a) com filtro L; (b) com filtro LC; (c) com filtro LCL (10A-50V/div; 5ms/div)...125
Figura 5.8 - Resultados de simulação: correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏 e 𝑖𝐿𝑐 e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 (20A-100V/div; 5ms/div). ...126
Figura 5.9 - Resultados de simulação: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛, correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛, correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtros L com controladores PI (20A-100V/div; 5ms/div). ...127
Figura 5.10 - Resultados de simulação: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛, correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛, correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtros LC com controladores PI (20A-100V/div; 5ms/div). ...128
Figura 5.11 - Resultados de simulação: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛, correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛, correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtros LCL com controladores PI (20A-100V/div; 5ms/div). ...128
Figura 5.12 - Resultados de simulação: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛, correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛, correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro L com controladores PI+R (20A-100V/div; 5ms/div)...129
Figura 5.13 - Resultados de simulação: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛, correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛, correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro LC com controladores PI+R (20A-100V/div; 5ms/div). ...129
Figura 5.14 - Resultados de simulação: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛, correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛, correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro LCL com controladores PI+R (20A-100V/div; 5ms/div)...130 Figura 5.15 - Resultados de simulação: correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏 e 𝑖𝐿𝑐 e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 (10A-100V/div; 5ms/div). ...131 Figura 5.16 - Resultados de simulação: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛, correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛, correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro L com controladores PI (10A-100V/div; 5ms/div). ...131 Figura 5.17 - Resultados de simulação: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛, correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛, correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro LC com controladores PI (10A-100V/div; 5ms/div). ...132 Figura 5.18 - Resultados de simulação: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛, correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛, correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro LCL com controladores PI (10A-100V/div; 5ms/div)...132 Figura 5.19 - Resultados de simulação: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛, correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛, correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro L com controladores PI+R (10A-100V/div; 5ms/div)...133 Figura 5.20 - Resultados de simulação: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛, correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛, correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro LC com controladores PI+R (10A-100V/div; 5ms/div). ...133 Figura 5.21 - Resultados de simulação: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛, correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛, correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro LCL com controladores PI+R (10A-100V/div; 5ms/div)...134 Figura 5.22 - Resultados de simulação: tensão no barramento c.c. com as correntes na rede considerando o MOP1. (a) Conexão do arranjo FV sem a MCFF; (b) Descone xão do arranjo FV sem a MCFF; (c) Conexão do arranjo FV com a MCFF; (d) Desconexão do arranjo FV com a MCFF (20A/div; 50V/div; 250ms/div). ...135 Figura 5.23 - Resultados de simulação: tensão no barramento c.c. com potência do arranjo FV considerando o MOP1. (a) Conexão do arranjo FV sem a MCFF; (b) Desconexão do arranjo FV sem a MCFF; (c) Conexão do arranjo FV com a MCFF; (d) Desconexão do arranjo FV comm a MCFF (50 V/div; 2 kW/div 250ms/div). ...136 Figura 5.24 - Resultados de simulação: tensão, corrente e potência do arranjo FV (500ms/div)..137 Figura 5.25 - Resultados de simulação: tensão e correntes na rede (sistema FV-DE) com controladores PI: a) com filtro L; (b) com filtro LC; (c) com filtro LCL (10A-50V/div; 5ms/div).137
Figura 5.26 - Resultados de simulação: tensão e correntes na rede (sistema FV-DE) com controladores PI+R: a) com filtro L; (b) com filtro LC; (c) com filtro LCL (10A-50V/div; 5ms/div)...137 Figura 5.27 - Resultados de simulação: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛; correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛 correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛 e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro L com controladores PI (10A-100V/div; 5ms/div). ...139 Figura 5.28 - Resultados de simulação: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛; correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛 correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛 e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro LC com controladores PI (10A-100V/div; 5ms/div). ...139 Figura 5.29 - Resultados de simulação: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛; correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛 correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛 e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro LCL com controladores PI (10A-100V/div; 5ms/div)...140 Figura 5.30 - Resultados de simulação: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛; correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛 correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛 e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro L com controladores PI+R (10A-100V/div; 5ms/div)...140 Figura 5.31 - Resultados de simulação: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛; correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛 correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛 e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro LC com controladores PI+R (20A-100V/div; 5ms/div). ...141 Figura 5.32 - Resultados de simulação: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛; correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛 correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛 e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro LCL com controladores PI+R (10A-100V/div; 5ms/div)...141 Figura 5.33 - Resultados de simulação: tensão no barramento c.c. com as correntes na rede considerando o MOP1. (a) Conexão do arranjo FV sem a MCFF; (b) Descone xão do arranjo FV sem a MCFF; (c) Conexão do arranjo FV com a MCFF; (d) Desconexão do arranjo FV comm a MCFF (20A/div; 50V/div; 250ms/div). ...142 Figura 5.34 - Resultados de simulação: tensão no barramento c.c. com potência do arranjo FV considerando o MOP1. (a) Conexão do arranjo FV sem a MCFF; (b) Desconexão do arranjo FV sem a MCFF; (c) Conexão do arranjo FV com a MCFF; (d) Desconexão do arranjo FV comm a MCFF (50 V/div; 2 kW/div 200ms/div). ...143 Figura 5.35 - Resultados de simulação: correntes nos resistores de amortecimento (500 mA/div 5ms/div)...144 Figura 5.36 - Resultados de simulação: tensão e corrente na fase a: (a) tempo morto de 3,3 μs e (b) tempo morto de 1,3 μs (10 A/div; 50 V/div; 5ms/div). ...145
Figura 5.37 - Resultados de simulação: teste de sombreamento parc ial: (a) Simples estágio e (b) Duplo estágio...146 Figura 5.38 - Resultados de simulação: teste de sombreamento parcial para o FV-SE: (a) sem sombreamento e (b) com sombreamento (500ms/div). ...146 Figura 5.39 - Resultados de simulação: teste de sombreamento parcial para o FV-DE: (a) sem sombreamento e (b) com sombreamento (500ms/div). ...147 Figura 5.40 - Resultados experimentais: (a) Rotina inicial de operação do conversor 4L (20A-200V/div; 1s/div); (b) Dinâmica das tensões no barramento c.c. no início de operação (50V/div; 250ms/div)...148 Figura 5.41 - Resultados experimentais: tensão, corrente e potência do arranjo FV(1,88 A/div; 171 V/div; 800 W/div; 200 ms/div). ...149 Figura 5.42 - Resultados experimentais: tensão e correntes na rede (sistema FV-SE) com controladores PI: a) com filtro L; (b) com filtro LC; (c) com filtro LCL (10A-50V/div; 5ms/div).149 Figura 5.43 - Resultados experimentais: tensão e correntes na rede (sistema FV-SE) com controladores PI+R: a) com filtro L; (b) com filtro LC; (c) com filtro LCL (10A-50V/div; 5ms/div)...149 Figura 5.44 - Resultados experimentais: DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP1 do sistema FV-SE com filtro L operando com controladores PI: (a) fase a; (b) fase b; (c) fase c...150 Figura 5.45 - Resultados experimentais: DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP1 do sistema FV-SE com filtro LC operando com controladores PI: (a) fase a; (b) fase b; (c) fase c...150 Figura 5.46 - Resultados experimentais: DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP1 do sistema FV-SE com filtro LCL operando com controladores PI: (a) fase a; (b) fase b; (c) fase c...150 Figura 5.47 - Resultados experimentais: DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP1 do sistema FV-SE com filtro L operando com controladores PI+R: (a) fase a; (b) fase b; (c) fase c...150 Figura 5.48 - Resultados experimentais: DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP1 do sistema FV-SE com filtro LC operando com controladores PI+R: (a) fase a; (b) fase b; (c) fase c. ...151 Figura 5.49 - Resultados experimentais: DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP1 do sistema FV-SE com filtro LCL operando com controladores PI+R: (a) fase a; (b) fase b; (c) fase c. ...151
Figura 5.50 - Resultados experimentais: correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏 e 𝑖𝐿𝑐 e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 (20A-100V/div; 5ms/div)...152 Figura 5.51 - Resultados experimentais: DHT das correntes da carga 1: (a) fase a; (b) fase b; (c) fase c...153 Figura 5.52 - Resultados experimentais: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛, correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛, correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛 e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro L com controladores PI (20A-100V/div; 5ms/div). ...153 Figura 5.53 - Resultados experimentais: DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP2 do sistema FV-SE com filtro L operando com controladores PI: (a) fase a; (b) fase b; (c) fase c...153 Figura 5.54 - Resultados experimentais: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛, correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛, correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛 e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro LC com controladores PI (20A-100V/div; 5ms/div). ...154 Figura 5.55 - Resultados experimentais: DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP2 do sistema FV-SE com filtro LC operando com controladores PI: (a) fase a; (b) fase b; (c) fase c...154 Figura 5.56 - Resultados experimentais: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛, correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛, correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛 e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro LCL com controladores PI (20A-100V/div; 5ms/div)...155 Figura 5.57 - Resultados experimentais: DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP2 do sistema FV-SE com filtro LCL operando com controladores PI: (a) fase a; (b) fase b; (c) fase c...155 Figura 5.58 - Resultados experimentais: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛, correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛, correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛 e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro L com controladores PI+R (20A-100V/div; 5ms/div)...156 Figura 5.59 - Resultados experimentais: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛, correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛, correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛 e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro LC com controladores PI+R (20A-100V/div; 5ms/div). ...156 Figura 5.60 - Resultados experimentais: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛, correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛, correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛 e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro LCL com controladores PI+R (20A-100V/div; 5ms/div)...157 Figura 5.61 – Resultados experimentais: DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP2 do sistema FV-SE com filtro L operando com controladores PI+R: (a) fase a; (b) fase b; (c) fase c...157
Figura 5.62 - Resultados experimentais: DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP2 do sistema FV-SE com filtro LC operando com controladores PI+R: (a) fase a; (b) fase b; (c) fase c. ...157 Figura 5.63 - Resultados experimentais: DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP2 do sistema FV-SE com filtro LCL operando com controladores PI+R: (a) fase a; (b) fase b; (c) fase c. ...158 Figura 5.64 - Resultados experimentais: correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏 e 𝑖𝐿𝑐 e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 (10A-100V/div; 5ms/div)...159 Figura 5.65 – DHT das correntes da carga 2: a) fase a; (b) fase b; (c) fase c. ...159 Figura 5.66 - Resultados experimentais: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛, correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛, correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛 e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro L com controladores PI (10A-100V/div; 5ms/div). ...159 Figura 5.67 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP3 do sistema FV-SE com filtro L operando com controladores PI...160 Figura 5.68 - Resultados experimentais: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛, correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛, correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛 e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro LC com controladores PI (10A-100V/div; 5ms/div). ...160 Figura 5.69 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP3 do sistema FV-SE com filtro LC operando com controladores PI. ...160 Figura 5.70 - Resultados experimentais: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛, correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛, correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛 e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro LCL com controladores PI (10A-100V/div; 5ms/div)...161 Figura 5.71 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP3 do sistema FV-SE com filtro LCL operando com controladores PI...161 Figura 5.72 - Resultados experimentais: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛, correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛, correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛 e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro L com controladores PI+R (10A-100V/div; 5ms/div)...162 Figura 5.73 - Resultados experimentais: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛, correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛, correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛 e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro LC com controladores PI+R (10A-100V/div; 5ms/div). ...162 Figura 5.74 - Resultados experimentais: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛, correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛, correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛 e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro LCL com controladores PI+R (10A-100V/div; 5ms/div)...163
Figura 5.75 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP3 do sistema FV-SE com filtro L operando com controladores PI+R. ...163 Figura 5.76 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP3 do sistema FV-SE com filtro LC operando com controladores PI+R. ...163 Figura 5.77 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP3 do sistema FV-SE com filtro LCL operando com controladores PI+R. ...164 Figura 5.78 - Resultados experimentais: tensão no barramento c.c. com as correntes na rede considerando o MOP1. (a) Conexão do arranjo FV sem a MCFF; (b) Desconexão do arranjo FV sem a MCFF; (c) Conexão do arranjo FV com a MCFF; (d) Desconexão do arranjo FV com a MCFF (20A/div; 50V/div; 250ms/div). ...165 Figura 5.79 - Resultados experimentais: tensão no barramento c.c. com potência do arranjo FV considerando o MOP1. (a) Conexão do arranjo FV sem a MCFF; (b) Desconexão do arranjo FV sem a MCFF; (c) Conexão do arranjo FV com a MCFF; (d) Desconexão do arranjo FV comm a MCFF (113,15V/div; 852,57 W/div 200ms/div). ...165 Figura 5.80 - Resultados experimentais: tensão, corrente e potência do arranjo FV (3,76 A/div; 171 V/div; 800 W/div 200ms/div). ...166 Figura 5.81 - Resultados experimentais: tensão e correntes na rede (sistema FV-DE) com controladores PI: (a) com filtro L; (b) com filtro LC; (c) com filtro LCL (10A-50V/div; 5ms/div).167 Figura 5.82 - Resultados experimentais: tensão e correntes na rede (sistema FV-DE) com controladores PI+R: (a) com filtro L; (b) com filtro LC; (c) com filtro LCL (10A-50V/div; 5ms/div)...167 Figura 5.83 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP1 do sistema FV-DE com filtro L operando com controladores PI: (a) fase a; (b) fase b; (c) fase c. ...167 Figura 5.84 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP1 do sistema FV-DE com filtro LC operando com controladores PI: (a) fase a; (b) fase b; (c) fase c. ...167 Figura 5.85 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP1 do sistema FV-DE com filtro LCL operando com controladores PI: (a) fase a; (b) fase b; (c) fase c. ...168 Figura 5.86 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP1 do sistema FV-DE com filtro L operando com controladores PI+R: (a) fase a; (b) fase b; (c) fase c. ...168 Figura 5.87 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP1 do sistema FV-DE com filtro LC operando com controladores PI+R: (a) fase a; (b) fase b; (c) fase c. ...168 Figura 5.88 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP1 do sistema FV-DE com filtro LCL operando com controladores PI+R: (a) fase a; (b) fase b; (c) fase c. ...168
Figura 5.89 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP3 do sistema FV-DE com filtro L operando com controladores PI: (a) fase a; (b) fase b; (c) fase c. ...169 Figura 5.90 - Resultados experimentais: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛, correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛, correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛 e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro L com controladores PI (10A-100V/div; 5ms/div). ...170 Figura 5.91 - Resultados experimentais: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛, correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛, correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛 e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro LC com controladores PI (10A-100V/div; 5ms/div). ...170 Figura 5.92 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP3 do sistema FV-DE com filtro LC operando com controladores PI: (a) fase a; (b) fase b; (c) fase c. ...171 Figura 5.93 - Resultados experimentais: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛, correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛, correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛 e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro LCL com controladores PI (10A-100V/div; 5ms/div)...171 Figura 5.94 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP3 do sistema FV-DE com filtro LCL operando com controladores PI: (a) fase a; (b) fase b; (c) fase c. ...171 Figura 5.95 - Resultados experimentais: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛, correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛, correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛 e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro L com controladores PI+R (10A-100V/div; 5ms/div)...172 Figura 5.96 - Resultados experimentais: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛, correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛, correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛 e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro LC com controladores PI+R (10A-100V/div; 5ms/div). ...172 Figura 5.97 - Resultados experimentais: correntes na rede 𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏, 𝑖𝑠𝑐 e 𝑖𝑠𝑛; correntes de compensação 𝑖𝑐𝑎, 𝑖𝑐𝑏, 𝑖𝑐𝑐 e 𝑖𝑐𝑛 correntes da carga 𝑖𝐿𝑎, 𝑖𝐿𝑏, 𝑖𝐿𝑐 e 𝑖𝐿𝑛 e tensões do sistema 𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏 e 𝑣𝑠𝑐 com filtro LCL com PI+R (10A-100V/div; 5ms/div). ...173 Figura 5.98 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP3 do sistema FV-DE com filtro L operando com controladores PI+R: (a) fase a; (b) fase b; (c) fase c. ...173 Figura 5.99 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP3 do sistema FV-DE com filtro LC operando com controladores PI+R: (a) fase a; (b) fase b; (c) fase c. ...173 Figura 5.100 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP3 do sistema FV-DE com filtro LCL operando com controladores PI+R: (a) fase a; (b) fase b; (c) fase c. ...174 Figura 5.101 - Resultados experimentais: tensão no barramento c.c. com as correntes na rede considerando o MOP1. (a) Conexão do arranjo FV sem a MCFF; (b) Desconexão do arranjo FV sem a MCFF; (c) Conexão do arranjo FV com a MCFF; (d) Desconexão do arranjo FV com a MCFF (20A/div; 50V/div; 250ms/div). ...175
Figura 5.102 - Resultados experimentais: tensão no barramento c.c. com potência do arranjo FV considerando o MOP1. (a) Conexão do arranjo FV sem a MCFF; (b) Desconexão do arranjo FV sem a MCFF; (c) Conexão do arranjo FV com a MCFF; (d) Desconexão do arranjo FV comm a
MCFF (113,15V/div; 852,57 W/div 200ms/div). ...175
Figura A.1 - Curva característica: a) 𝑖𝑝𝑣-𝑣𝑝𝑣 e b) 𝑝𝑝𝑣-𝑣𝑝𝑣 para diferentes níveis de irradiação e temperatura. ...191
Figura A.2 - Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica. ...191
Figura A.3 - Curva característica ipv-vpv para diferentes valores de RS e Rp...192
Figura A.4 - Diagrama em blocos do modelo implementado no MatLab/Simulink®. ...193
Figura B.1 - Representação do funcionamento do método P&O. ...195
Figura B.2 - Fluxograma do método P&O – (a) FV-SE e (b) FV-DE. ...196
Figura B.3 – Potência extraída utilizando o MPPT- P&O – (a) simples estágio e (b) duplo estágio (1 kW/div; 2 s/div) ...197
Figura C.1 - Diagrama em blocos do algoritmo 3pPLL. ...199
Figura C.2 - Diagrama em blocos da malha de controle do sistema pPLL...200
Figura C.3 - Diagrama de Bode da Planta 𝐺𝑃𝑝𝑙𝑙, do Sistema Compensado em Malha Aberta 𝐺𝑀𝐴𝐶𝑝𝑙𝑙 e do Sistema Controlado 𝐺𝑀𝐴𝑃𝐼𝑝𝑙𝑙. ...201
Figura D.1 - Vista frontal do protótipo. ...202
Figura D.2 - Vista lateral do protótipo. ...202
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 - Vetores de Comutação. ...43
Tabela 2.2 - Sequências de comutação...45
Tabela 2.3 - Parâmetros dos filtros L ...48
Tabela 2.4 - Parâmetros do filtro LC...49
Tabela 2.5 - Parâmetros do filtro LCL amortecido...52
Tabela 4.1 - Especificações para Projeto do Controlador PI de Corrente para Filtro L...101
Tabela 4.2 - Ganhos do controlador PI da Malha de Corrente com filtro L...103
Tabela 4.3 - Especificações para Projeto dos Controladores PI de Corrente para filtro LC. ...103
Tabela 4.4 - Ganho do controlador PI da malha de corrente com filtros LC. ...104
Tabela 4.5 - Especificações para Projeto dos Controladores PI de Corrente para Filtro LCL amortecido. ...105
Tabela 4.6 - Ganho do controlador PI da malha de corrente com filtro LCL amortecido...105
Tabela 4.7- Especificações para Projeto do Controlador PI de Corrente do conversor boost. ...106
Tabela 4.8 - Ganhos do controlador PI da malha de Corrente do conversor boost...106
Tabela 4.9 - Especificações para Projeto do Controlador PI de tensão do conversor boost. ...107
Tabela 4.10 - Ganhos do controlador PI da malha de tensão do conversor boost. ...107
Tabela 4.11 - Ganhos dos controladores ressonantes para inversor com filtro L...108
Tabela 4.12 - Ganhos dos controladores ressonantes para inversor com filtro LC. ...109
Tabela 4.13 - Ganhos dos controladores ressonantes para inversor com filtro LCL amortecido...110
Tabela 4.14 - Especificações para Projeto do Controlador PI de tensão do barramento c.c...111
Tabela 4.15 - Ganhos do controlador PI da Malha de Tensão do barramento c.c.. ...111
Tabela 5.1 - Parâmetros utilizados nos testes de simulação e experimentais. ...121
Tabela 5.2 - Especificações de projeto e ganho dos controladores. ...122
Tabela 5.3 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP1 do sistema FV-SE operando com controladores PI. ...125
Tabela 5.4- DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP1 do sistema FV-SE operando com controladores PI+R. ...125
Tabela 5.5 – Fator de potência do sistema FV-SE operando com controladores PI. ...125
Tabela 5.6 - Fator de potência do sistema FV-SE operando com controladores PI+R. ...126
Tabela 5.7 - DHT das tensões da rede elétrica. ...127
Tabela 5.8 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP2 do sistema FV-SE operando com controladores PI. ...130
Tabela 5.9 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP2 do sistema FV-SE operando com controladores PI+R. ...130 Tabela 5.10 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP3 do sistema FV-SE operando com controladores PI. ...134 Tabela 5.11 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP3 do sistema FV-SE operando com controladores PI+R. ...134 Tabela 5.12 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP1 do sistema FV-DE operando com controladores PI. ...138 Tabela 5.13 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP1 do sistema FV-DE operando com controladores PI+R. ...138 Tabela 5.14 – Fator de potência do sistema FV-DE operando com controladores PI. ...138 Tabela 5.15 - Fator de potência do sistema FV-DE operando com controladores PI+R. ...138 Tabela 5.16 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP3 do sistema FV-DE operando com controladores PI. ...141 Tabela 5.17 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP3 do sistema FV-DE operando com controladores PI +R. ...142 Tabela 5.18 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP1 do sistema FV-SE operando com controladores PI utilizando tempo morto de 1,3 μs...145 Tabela 5.19 – Valores das variáveis do arranjo FV obtidos sem e com sombreamentos parciais. 147 Tabela 5.20 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP1 do sistema FV-SE operando com controladores PI. ...151 Tabela 5.21 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP1 do sistema FV-SE operando com controladores PI+R. ...151 Tabela 5.22 – Fator de potência do sistema FV-SE operando com controladores PI. ...152 Tabela 5.23 - Fator de potência do sistema FV-SE operando com controladores PI+R. ...152 Tabela 5.24 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP2 do sistema FV-SE operando com controladores PI. ...158 Tabela 5.25 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP2 do sistema FV-SE operando com controladores PI+R. ...158 Tabela 5.26 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP3 do sistema FV-SE operando com controladores PI. ...164 Tabela 5.27 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP3 do sistema FV-SE operando com controladores PI+R. ...164
Tabela 5.28 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP1 do sistema FV-DE operando com controladores PI. ...169 Tabela 5.29 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP1 do sistema FV-DE operando com controladores PI+R. ...169 Tabela 5.30 – Fator de potência do sistema FV-DE operando com controladores PI. ...169 Tabela 5.31 - Fator de potência do sistema FV-DE operando com controladores PI+R. ...169 Tabela 5.32 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP3 do sistema FV-DE operando com controladores PI. ...174 Tabela 5.33 - DHT das correntes da rede elétrica obtidas durante o MOP3 do sistema FV-DE operando com controladores PI+R. ...174 Tabela 5.34 - Comparações entre as topologias dos sistemas FV-SE e FV-DE. ...177 Tabela 5.35 - Comparações com relação às menores DHT de correntes entre as topologias dos sistemas FV-SE e FV-DE...178 Tabela B.1 - Parâmetros do algoritmo de MPPT ...197
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
4L Four-leg
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
AF Adaptive Filters
c.a. Corrente alternada
c.c. Corrente contínua
DHT Distorção Harmônica Total
DSC Digital Signal Controller
DSP Digital Signal Processor
FAPP Filtro Ativo de Potência Paralelo
FD Fator de Deslocamento
FER Fontes de Energias Renovaveis
FP Fator de Potência
FPA Filtro Passa Alta
FPB Filtro Passa Baixa
FR Fator de Rastreamento
FV Fotovoltaico
FV-SE Fotovoltaico com simples estágio
FV-DE Fotovoltaico com duplo estágio
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
L Filtro indutivo
LC Filtro indutivo-capacitivo
LCL Filtro indutivo-capacitivo- indutivo
MCFF Malha de Controle Feed-forward
MOP Modo de Operação
MOP1 Modo de Operação 1
MOP2 Modo de Operação 2
MOP3 Modo de Operação 3
MPPT Máximum Power Point Tracking
P&O Perturbe e Observe
PAC Ponto de Acoplamento Comum
PI Proporcional-Integral
PLL Phase-Locked Loop
PSD Positive Sequence Detector PWM Pulse-Width Modulation
QEE Qualidade de Energia Elétrica
SPWM Sinusoidal Pulse Width Modulation
SRF Synchronous Reference Frame SVM Space Vector Modulation
LISTA DE SIMBOLOS
αβ0 Eixos de referência estacionário
ƞ Fator de qualidade da junção p-n
𝜃 𝑝𝑙𝑙 Ângulo de fase detectado pelo PLL
𝜃𝑠+ Ângulo de fase de sequência positiva das tensões
𝜑𝐶 Ângulo de fase a ser compensado
𝜔𝑐 Frequência de cruzamento
𝜔𝑐 Frequência de chaveamento em radianos
𝜔𝑓𝑓 Frequência de ressonância em radianos
𝜔𝑟𝑒𝑠 Frequência de ressonância em radianos
𝜔𝑠 Frequência da rede em radianos
𝜔 Frequência angular de referência do PLL
abc Eixos de referência trifásico
Cb Capacitância base
Cc Capacitor da carga da fase c
Ccc Capacitor do barramento c.c.
𝐶𝑑
𝑎,𝐶𝑑𝑏,𝐶𝑑𝑐 Filtros capacitivos de amortecimento das fases abc 𝐶𝑓𝑎, 𝐶𝑓𝑏,𝐶𝑓𝑐 Filtros capacitivos das fases abc
Cpv Capacitor de filtro do arranjo FV
D Razão cíclica
Db Diodo do conversor boost
fa Frequência de amostragem
fc Frequência de corte
fch Frequência de chaveamento
fo Frequência de ondulação do barramento c.c.
fs Frequência da rede elétrica em hertz
𝑓𝑠𝑀𝑃𝑃𝑇 Frequência de amostragem do MPPT
𝐺4𝐿 Ganho do inversor 4L
𝐺𝑏 Ganho do conversor boost
𝐺𝑐 Função de transferência do compensador de fase
𝐺𝑖𝑏 Função de transferência da planta de corrente do conversor boost
𝐺𝑖𝐿𝐶 Função de transferência da planta de corrente do inversor 4L com filtro LC
𝐺𝑖𝐿𝐶𝐿 Função de transferência da planta de corrente do inversor 4L com filtro LCL
𝐺𝑣
𝑏 Função de transferência da planta de tensão do conversor boost
𝐺𝑣𝑐𝑐 Função de transferência da planta de tensão do inversor 4L
𝐺𝑀𝐴 𝐶 Sistema compensado em malha aberta
𝐺𝑀 𝐴𝑃𝐼 Sistema controlado em malha aberta
𝐺𝑃𝐼 Função de transferência do controlador PI
𝐺𝑃𝐼𝑅 Função de transferência do controlador PI+R
𝐺𝑇𝑠 Atraso do modulador PWM
𝑖𝑐𝑎,𝑖𝑐𝑏,𝑖𝑐𝑐 Correntes de compensação das fases abc 𝑖𝑐
𝑎
∗ ,𝑖
𝑐∗𝑏,𝑖𝑐∗𝑐 Referências das correntes de compensação das fases abc
𝑖𝑐𝛼,𝑖𝑐𝛽,𝑖𝑐0 Correntes de compensação nos eixos αβ0 𝑖𝑐
𝛼
∗ ,𝑖
𝑐∗𝛽,𝑖𝑐∗0 Referências das correntes de compensação nos eixos αβ0
𝑖𝑐𝑐 Corrente de saída do controlador do barramento CC
𝑖𝑐𝑐∗ Corrente de saída do controlador do barramento CC
𝑖𝐶
𝑓𝛼𝑒𝑠𝑡 ,𝑖𝐶𝑓𝛽𝑒𝑠𝑡 , 𝑖𝐶𝑓0𝑒𝑠𝑡 Correntes estimadas dos capacitores de filtros nos eixos αβ0
𝑖𝑐𝑛 Corrente de compensação do condutor neutro
𝑖𝑐𝑐𝐵 Corrente do barramento c.c
𝑖𝐶
𝑝𝑣 Corrente do capacitor de filtro do arranjo FV com boost
𝑖𝑑,𝑖𝑞 Corrente da carga nos eixos síncronos 𝑑𝑞
𝑖𝑑 Parcela harmônica da corrente da carga nos eixos síncronos 𝑑𝑞
𝑖𝑑𝑐𝑚 Corrente no eixo direto síncrono para carregamento do barramento c.c.
𝑖𝑓𝑓 Corrente de feed-forward
𝑖𝐿
𝑎, 𝑖𝐿𝑏,𝑖𝐿𝑐 Correntes das cargas das no eixo abc 𝑖𝐿𝛼, 𝑖𝐿𝛽,𝑖𝐿0 Correntes das cargas das no eixo αβ0
𝑖𝐿𝑛 Corrente da carga no condutor neutro
𝑖𝐿𝑓𝑏 Corrente no indutor do conversor boost
𝑖𝑝 Fotocorrente da célula FV
𝑖𝑝𝑣 Corrente do arranjo FV
𝑖𝑝𝑣∗ Referência de corrente do arranjo FV
𝑖𝑠𝑎, 𝑖𝑠𝑏,𝑖𝑠𝑐 Correntes da rede das fases abc
𝐼𝑀𝑃𝑃𝑇 Corrente de MPPT
𝐼𝑠𝑝 Corrente de pico da rede
𝐾1, 𝐾3, 𝐾5, 𝐾7 Ganhos dos controladores ressonantes
𝐾𝐼𝑖 Ganho integrativo dos controladores PI de corrente
𝐾𝐼𝑣 Ganho integrativo dos controladores PI de tensão
𝐾𝑃𝑖 Ganho proporcional dos controladores PI de corrente
𝐾𝑃𝑣 Ganho proporcional dos controladores PI de tensão
𝐾𝑃𝑊𝑀𝑏 Ganho do modulador PWM do conversor boost
𝐾𝑃𝑊𝑀
4𝐿 Ganho do modulador PWM do inversor 4L
𝐿𝑎,𝐿𝑏 Indutores das cargas das fases ab
𝐿𝑓𝑎, 𝐿𝑓𝑏,𝐿𝑓𝑐,𝐿𝑓𝑛 Indutores dos filtros indutivos de acoplamento
𝐿𝐿𝑎,𝐿𝐿𝑏,𝐿𝐿𝑐 Indutores de comutação da carga
𝐿𝑓𝑏 Indutor do conversor boost
𝑀𝐹𝑑 Margem de fase desejada
𝑃3𝜑 Potência ativa trifásica
𝑃𝑐𝑐 Potência do barramento c.c.
𝑝𝑐𝑚 Parcela ativa de potência
𝑝𝑚 Potência ativa instantanea
𝑃𝑝𝑣 Potência do arranjo FV
𝑄𝑜𝑝𝑡 Fator de qualidade ótimo
𝑟𝑑
𝑎,𝑟𝑑𝑏, 𝑟𝑑𝑐 Resistores de amortecimento das fases abc 𝑅𝑎, 𝑅𝑏, 𝑅𝑐 Resistores das cargas das fases abc
𝑅𝐿
𝑓𝑎, 𝑅𝐿𝑓𝑏,𝑅𝐿𝑓𝑐, 𝑅𝐿𝑓𝑛 Resistências internas das indutâncias
𝑅𝐿𝑏 Resistência interna da indutância do conversor boost
𝑅𝑠, 𝑅𝑝 Resistores série e paralelo do modelo do painel solar
𝑅𝑝𝑣 Resistência diferencial do arranjo FV
𝑆𝑏 Chave do conversor boost
𝑆1, 𝑆2, 𝑆3, 𝑆4, 𝑆5, 𝑆6, 𝑆7, 𝑆8
Chaves do inversor 4L
T Temperatura ambiente em kelvin
𝑢 𝑎,𝑢 𝑏,𝑢 𝑐 Valor médio da tensão pulsada de saída dos inversores das fases 𝑎𝑏𝑐 𝑢 𝛼, 𝑢 𝛽,𝑢 0 Valor médio da tensão pulsada de saída dos inversores nos eixos αβ0
𝑣𝑎𝑏,𝑣𝑏𝑐,𝑣𝑐𝑎 Tensões entre as fases
𝑣𝑠𝑎, 𝑣𝑠𝑏, 𝑣𝑠𝑐 Tensões da rede nas fases abc
𝑣𝑑 Tensão da rede no eixo direto síncrono
𝑣𝑝𝑣 Tensão do arranjo FV
𝑣𝑝𝑣∗ Referência da tensão do arranjo FV
𝑉𝑀𝑃𝑃𝑇 Tensão de MPPT
𝑉𝑐𝑐 Tensão do barramento c.c.
𝑉𝑐𝑐∗ Referência de tensão do barramento c.c.
𝑉𝑠𝑝 Tensão de pico da rede
𝑉𝑡𝑟𝑖 Amplitude da triangular do modulador PWM
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ...31
1.1 JUSTIFICATIVA E CONTRIBUIÇÕES DO TRABALHO...34 1.2 OBJETIVOS...35 1.2.1 Objetivo Geral ...35 1.2.2 Objetivos Específicos ...35 1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO ...36
2 ESTRUTURAS DE POTÊNCIA DO SISTEMA FV E TÉCNICAS DE MODULAÇÕES
EMPREGADAS ...38
2.1 CONVERSOR C.C.-C.C. ...39 2.2 CONVERSOR C.C.-C.A...40 2.3 MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSO (PWM)...41 2.4 MODULAÇÃO ESPACIAL VETORIAL (SVM) ...41 2.4.1 Determinação dos Vetores de Comutação ...42 2.4.2 Identificação dos Planos de Separação e Setores ...43 2.4.3 Identificação dos Planos Limites ...44 2.4.4 Definição das Sequências de Comutação ...45 2.4.5 Obtenção dos Tempos de Comutação dos Vetores do setor 1 ...46 2.5 PROJETO DOS FILTROS DE ACOPLAMENTO ...47 2.5.1 Projeto do filtro L...47 2.5.2 Projeto dos filtro LC ...48 2.5.3 Projeto do filtro LCL amortecido...49 2.6 CONCLUSÕES DO CAPÍTULO ...52
3 MODELAGEM MATEMÁTICA DOS CONVERSORES DE POTÊNCIA ...54
3.1 MODELO MATEMÁTICO DO CONVERSOR C.C.-C.C. BOOST...54 3.1.1 Função de Transferência do conversor c.c.-c.c. boost ...58
3.2 MODELO MATEMÁTICO DA PLANTA DE CORRENTE DO INVERSOR 4L COM
FILTROS L ...59 3.2.1 Modelo Matemático nas Coordenadas 𝑎𝑏𝑐 ...60 3.2.2 Modelo Matemático nas Coordenadas 𝛼𝛽0...63 3.2.3 Função de Transferência do Sistema com filtros L ...68
3.3 MODELO MATEMÁTICO DA PLANTA DE CORRENTE DO INVERSOR 4L COM
FILTROS LC ...69 3.3.1 Modelo Matemático nas Coordenadas 𝑎𝑏𝑐 ...70
3.3.2 Modelo Matemático nas Coordenadas 𝛼𝛽0...74 3.3.3 Função de Transferência do Sistema com filtros LC ...77
3.4 MODELO MATEMÁTICO DA PLANTA DE CORRENTE DO INVERSOR 4L COM
FILTROS LCL AMORTECIDO ...78 3.4.1 Modelo Matemático nas Coordenadas 𝑎𝑏𝑐 ...79 3.4.2 Modelo Matemático nas Coordenadas 𝛼𝛽0...85 3.4.3 Função de Transferência do Sistema com filtro LCL amortecido ...89
3.5 MODELO MATEMÁTICO DA PLANTA DE TENSÃO DO INVERSOR 4L ...90
3.6 CONCLUSÕES DO CAPÍTULO ...93
4 SISTEMAS DE CONTROLE ...94
4.1 ALGORITMOS PARA GERAÇÃO DAS REFERÊNCIAS DE TENSÃO E DE CORRENTE94
4.1.1 Sistema FV com Simples Estágio de Conversão de Energia ...94 4.1.2 Sistema FV com Duplo Estágio de Conversão de Energia ...94 4.1.3 Geração das Referências de Corrente do Inversor (Sistemas FV-SE e FV-DE) ...95 4.2 PROJETO DOS CONTROLADORES ...99 4.2.1 Malha de controle das correntes ...100 4.2.2 Projeto dos Controladores PI das Malhas de Corrente com Filtro L ...101 4.2.3 Projeto dos Controladores PI das Malhas de Corrente com Filtro LC ...103 4.2.4 Projeto dos Controladores PI das Malhas de Corrente com Filtro LCL ...104 4.2.5 Projeto dos Controladores PI do conversor c.c.-c.c. boost ...105 4.2.6 Projeto dos Controladores Ressonantes ...107
4.3 MALHA DE CONTROLE DA TENSÃO DO BARRAMENTO C.C. ...110
4.4 DISCRETIZAÇÃO DOS CONTROLADORES...112 4.5 MALHA DE CONTROLE FEED-FORWARD ...113 4.5.1 MCFF para o Sistema FV de Simples Estágio ...113 4.5.2 MCFF para o Sistema FV de Duplo Estágio ...115 4.6 CONCLUSÕES DO CAPÍTULO ...117
5 RESULTADOS...118
5.1 RESULTADOS DE SIMULAÇÃO ...123 5.1.1 Controle de tensão do barramento c.c. ...123 5.1.2 Sistema FV com simples estágio ...124 5.1.3 Sistema FV com duplo estágio ...136 5.2 RESULTADOS EXPERIMENTAIS ...148 5.2.1 Controle de tensão do barramento c.c. ...148
5.2.2 Sistema FV com simples estágio ...148 5.2.3 Sistema FV com duplo estágio ...166 5.3 COMPARAÇÕES ENTRE AS TOPOLOGIAS DE SISTEMAS FV ...176 5.4 CONCLUSÕES DO CAPÍTULO ...178
6 CONCLUSÃO GERAL ...180
6.1 PROPOSTAS DE CONTINUIDADE DE TRABALHO ...182 6.2 PUBLICAÇÕES RELACIONADAS AO TRABALHO ...182
REFERÊNCIAS ...183 APÊNDICE A - MODELAGEM DO PAINEL FOTOVOLTAICO ...191 APÊNDICE B - TÉCNICAS PARA EXTRAÇÃO DA MÁXIMA POTÊNCIA...194
B.1 MÉTODO DE MPPT – P&O ...194
APÊNDICE C – CIRCUITO PLL TRIFÁFICO ...198
C.1 MALHA DE CONTROLE DO SISTEMA PLL ...199
1 INTRODUÇÃO
Atualmente, devido ao aumento da demanda por energia elétrica e considerando o interesse mundial no crescimento sustentável e redução dos problemas ambientais causados também por fontes de energias não renováveis como combustíveis fósseis, carvão e entre outras, a utilização de fontes de energias renováveis (FER) na produção de energia elétrica vem ganhando cada vez mais espaço e destaque. Dentre as diferentes FERs, tais como a eólica, biomassa, solar, maremotriz, dentre outras, a energia solar vem se destacando devido à sua abundância, por não ser poluente e por sua vasta incidência em toda a superfície terrestre (CHA E LEE, 2008),
consolidando-se no mercado de energias renováveis.
De forma a exemplificar esse grande potencial energético solar, estudos estimam que a incidência solar sobre a superfície da terra seja da ordem de dez mil vezes maior do que o consumo energético mundial (CENTRO DE PESQUISAS DE ENERGIA ELÉTRICA - CEPEL, 2000). O Brasil tem um grande potencial para a utilização de energia solar, pois a incidência de irradiação solar no país é muito grande devido a sua localização geográfica, apresentando índices de irradiação superiores à de muitos outros países (BRITO et al., 2013). A Alemanha é um dos países que mais utilizam energia solar em todo o mundo, apresentando índices de irradiação solar bem inferiores em relação ao Brasil. A título de comparação, a região mais favorecida da Alemanha possui 1,4 vezes menos irradiação solar do que a região do Brasil menos favorecida de incidência solar (SALAMON E RÜTHER, 2007).
Para sistemas fotovoltaicos (FV) conectados à rede elétrica, a utilização de conversores de potência é indispensável, onde estes têm por função de realizar o condicionamento de potência, como pode ser visto na Figura 1.1 (a) e (b), na qual pode-se notar a ilustração de duas configurações distintas. A primeira mostrada na Figura 1.1 (a) contém apenas um estágio de conversão de energia, ou seja, um conversor c.c-c.a.. Já a topologia mostrada na Figura 1.1 (b) apresenta dois estágios de conversão de energia, ou seja, um conversor c.c.-c.c. e um conversor c.c-c.a..
(a) (b)
Figur a 1.1 - Topol ogias do sistema FV: (a) simples estágio e (b) duplo estágio. CC CA Filtro Conversor Rede Arranjo FV 1º Estágio CC CC CC CA Filtro Conversor Conversor Rede Arranjo FV 1º Estágio 2º Estágio
Existem diversas topologias de inversores VSI que podem ser utilizados em aplicações de geração distribuída empregados em sistemas elétricos monofásicos e trifásicos (LINDEKE et al., 2004; SOUZA; BARBI, 2000; QUINN; MOHAN, 1992; AKAGI, 2005, SILVA et. al., 2010). Para sistemas trifásicos, os inversores têm sido aplicados tanto a três- fios como a quatro- fios
(SINGH; HADDAD; CHANDRA, 1999; QUINN; MOHAN, 1992; AKAGI, 2005, SILVA et. al.,
2010). Algumas topologias serão mostradas abaixo, onde o esquema da topologia de um inversor aplicado em sistemas trifásicos a três- fios é mostrado na Figura 1.2 (a) e (b) (AKAGI; KANAZAWA; NABAE, 1984; BHATTACHARYA et. al., 1998). A topologia (a) apresenta um inversor trifásico com três braços cone ctados a um único barramento CC, já a topologia apresentada em (b) o barramento c.c. é dividido. Ambas topologias apresentam seis chaves de potência.
A configuração de um inversor utilizando quatro braços, também conhecido por Four-Leg (4L), é apresentado na Figura 1.2 (c) (Quinn e Mohan, 1992). Este inversor é composto por quatro braços inversores compartilhando o mesmo barramento c.c e utiliza oito chaves de potência.
(a) (b)
(c) Figur a 1.2 – (a) Inversor tri fásico a três-fi os; (b) Inversor trifásico a três -fios com split-capacitor e Inversor
trifásico a quatr o-fi os.
Para os conversores c.c-c.c também existem diversas topologias que podem ser utilizadas em aplicações envolvendo sistemas FV. Porém quando a amplitude da tensão de saída do arranjo FV não é adequada para alimentar o barramento c.c. do estágio de inversão de tensão, a utilização de conversor elevadores torna-se interessante. Outras vantagens podem ser citadas, como permitir uma redução do capacitor do barramento c.c. (o ripple é desacoplado), além disso pode-se manter o sistema de geração para uma faixa de irradiação ma ior quando comparado com sistemas de estágio simples. Neste caso, utilizas-se um conversor c.c.-c.c. elevadores como boost,
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